Mô hình điều khiển cho người lái xe

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Mô hình điều khiển cho người lái xe trình bày các nội dung: hương pháp chuyển đổi tín hiệu xoay của trục vô lăng thành tín hiệu điều khiển của chuột máy tính; Lập trình điều khiển và thu thập số liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình điều khiển cho người lái xe

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 57 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO NGƯỜI LÁI XE A CONTROL MODEL FOR THE DRIVER Lê Thanh Phúc, Cao Văn Thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngày tòa soạn nhận được bài 13/10/2014, ngày phản biện đánh giá 19/11/2014, ngày chấp nhận đăng 28/11/2014 TÓM TẮT Một mô hình điều khiển cho người lái xe đã được thiết kế và thi công làm phương tiện để khảo sát và đánh giá hiệu quả điều khiển xe của hai nhóm người lái bao gồm người ở độ tuổi già và người ở độ tuổi trẻ. Số lượng người tham gia khảo sát là 8 người đã được tuyển chọn đủ các điều kiện về những điều lệ qui định sức khỏe cho người lái xe ô tô ở Việt nam. Người tham gia khảo sát sẽ điều khiển xe trong cùng một môi trường lái xe mô phỏng - City Car Driving. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy, đối với người lái ở độ tuổi trẻ thì hiệu quả điều khiển xe tăng lên 55,5% so với người lái ở độ tuổi già xét theo tình huống điều khiển xe trên đoạn đường cua vòng. Về khả năng điều khiển xe tránh va chạm chướng ngại thì những người ở độ tuổi trẻ điều khiển tốt hơn người ở độ tuổi già là 34,6%. Về khả năng điều chỉnh góc lái để chuyển hướng di chuyển sang làn đường mới thì người ở độ tuổi trẻ điều chỉnh chính xác hơn người ở độ tuổi già là 12,2%. Việc so sánh và đánh giá được khả năng điều khiển xe của người lái là một trong những thành công lớn nhất của đề tài làm cơ sở khoa học giúp hoàn thiện mô hình điều khiển cho người lái xe, từ đó góp phần làm giảm khả năng xảy ra các sự cố, tai nạn giao thông. Từ khóa: Mô hình điều khiển lái xe, lái xe mô phỏng, tuổi, đường cua vòng, chướng ngại vật, làn đường ABSTRACT A control model for the driver has successfully designed to examine and evaluate the effectiveness of the two groups of drivers including the old age and young age. The number of participants is 8 people who sastify all the conditions of health regulations for automobile driving in Vietnam. The participants drove in the same car driving simulation environment - City Car Driving. The experimental results show that, the drivers at a young age have efficiency increased 55.5% comparison to the driver at a old age when following a curved path. About the possibility to avoid collision, in the younger are better 34.6% than the olders. Drivers have ability to adjust the steering angle movement redirected to the new lane road in the younger better than the olders 12.2%. The comparison and evaluation of the ability driving was one of the biggest successes of the project. It is a fundament to improve the driver model in order to reduce traffic accidents. Keywords: Control model drving, driving simulation, age, ring road, obstacle, land road. I. GIỚI THIỆU người lái cũng như hành khách, hàng hóa từ Tai nạn giao thông là một trong những vấn đề những giải pháp an toàn chủ động, an toàn bị quan tâm lớn nhất của từng cá nhân, xã hội. động đến kết hợp an toàn chủ-bị động trên xe. Đặc biệt trong ngành sản xuất xe luôn phát Tuy nhiên, trong những năm gần đây số lượng triển hoàn thiện các hệ thống với rất nhiều tai nạn giao thông xảy ra ngày càng tăng. Theo chức năng nhằm đảm bảo sự an toàn cho thống kê, phân tích các vụ tai nạn giao thông đường bộ đã cho thấy rằng các yếu tố về con
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) 58 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh người là nguyên nhân chính, chiếm 85o/o vụ đối nhỏ. Allen [9] đề xuất một mô hình điều tai nạn giao thông đường bộ [1]. Nguyên nhân khiển gần như tuyến tính đa vòng lặp để xác dẫn đến tình trạng này là do mất điều khiển định góc lái bánh xe phía trước. Nghiên cứu của người lái xe hay quá trình điều khiển xe thực hiện điều khiển xe trên một phạm vi điều không đạt hiệu quả như mong muốn. Trong khiển, bao gồm cả các giả định liên quan đến nhiều thập kỷ qua, nhiều nhà khoa học, kỹ sư tránh tai nạn để hạn chế hiệu suất xử lý của trên thế giới đã nghiên cứu và mô tả sự tương người lái xe. Xiaobo Yang [10] đề xuất vấn đề tác giữa người - xe. Phần lớn các nghiên cứu an toàn trên đường cao tốc có liên quan đến này đều hướng về sự mô tả đặc điểm hành vi hoạt động của xe trên đường và sự tương tác của người lái xe, xác định được các giá trị giới giữa người lái với xe. hạn dựa trên điều kiện vị trí của xe với các yếu Bên cạnh những thành tựu đã đạt được của các tố môi trường và phát triển các mô hình điều công trình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống khiển xe [2, 3]. Gần đây, các mô hình điều điều khiển cho người lái xe thì còn nhiều vấn khiển của người lái xe đã được các hãng sản đề cần phải nghiên cứu, giải quyết. Trong đó xuất xe nghiên cứu, phát triển và ứng dụng vấn đề khảo sát và đánh giá, so sánh khả năng mạnh mẽ trong thực tế. MacAdam [4] đã xây điều khiển của người lái xe khi gặp các tình dựng được mô hình đường đi xem trước. Mô huống nguy hiểm là mục đích của nghiên cứu hình này giúp người lái điều khiển xe đi theo này. Hình 1 là sản phẩm mô hình điều khiển con đường mong muốn bằng cách dự đoán lái xe. con đường phía trước và liên kết chặt chẽ khả năng dự đoán của người lái xe với thời gian LabVIEW, Car Driving phản ứng. Các thuật toán điều khiển cho mô hình này là những vòng lặp kín trên các hệ Vô lăng lái thống điều khiển xe. Weir và McRuer [5] đã Ecoder, nêu các quan điểm và lý thuyết điều khiển làm mạch xử lý cơ sở khoa học cho việc phân tích động lực học kiểm soát tay lái. Kết quả hệ thống điều khiển xe đánh giá được các thành phần làm Ghế ngồi Tay số ảnh hưởng đến các phương trình chuyển động Chân phanh học của xe. Legouis [6] đã đề xuất ra các kỹ Chân ga thuật tối ưu hoá để ước tính các hệ số điều khiển của người lái xe, bao gồm lỗi vị trí dịch Hình 1: Sản phẩm thi công mô hình điều khiển lái xe. dọc, lỗi tỷ lệ quay vòng và góc lái bánh xe trước. Một mô hình theo dõi bù tối ưu để thu Trong hình 1, mô hình điều khiển gồm cụm được các giá trị, thông số khác nhau của xe. cơ cấu chính gồm cụm cơ cấu điều khiển xe Sheridan [7] sử dụng một kỹ thuật lập trình giúp người lái thực hiện các thao tác như đạp động lực học để thu được vùng quỹ đạo tối phanh, đạp ga chuyển số cho xe và phanh tay ưu trong khoảng thời gian xem trước sử dụng khi xe dừng. Cụm hệ thống điều khiển lái thực một thuật toán vòng lặp. Ba mô hình được đề hiện mô phỏng môi trường lái trên màn hình xuất để dự đoán sự phản hồi của người lái xe. máy tính giống như đang lái thật nhờ vào phần Kondo [8] đề xuất một mô hình dự báo đường mền City Car Driving. Một chương trình thu đi bậc nhất tuyến tính, nghiên cứu, đánh giá nhận và xử lý tín hiệu từ bộ xử lý phân tích sự thuận lợi điều khiển của người lái xe và được lập trình trong môi trường LabVIEW giả định sự chậm trễ của người lái xe là không gắn vào trục lái phía dưới của vô lăng nhằm đáng kể. Mô hình dự đoán một cách hiệu quả thu thập các thông số điều khiển của người lái việc thực hiện điều khiển hướng di chuyển từ đó để so sánh, đánh giá hiệu quả của từng của người lái xe khi chuyển động bên là tương nhóm người khảo sát. Ngoài ra, mô hình này
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 59 còn có khả năng thực nghiệm để hướng dẫn và chạy thẳng tương ứng với sự dịch chuyển người tập lái làm quen với môi trường lái xe của chuột máy tính theo các hướng tương tự. trước khi điều khiển trên một chiếc xe thật. Tuy nhiên, trong thiết kết mô hình điều khiển lái xe, tín hiệu dịch chuyển của chuột máy tính II. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN theo hướng xe chạy thẳng hay tín hiệu trục Y XE được thay thế bằng tín hiệu vận tốc trên bàn 1. Phương pháp chuyển đổi tín hiệu xoay bàn ga. Do đó, tín hiệu vô lăng của xe xoay của trục vô lăng thành tín hiệu điều khiển sang trái hoặc xoay sang phải là tín hiệu của của chuột máy tính sự di chuyển con chuột máy tính theo phương Xe di chuyển trong môi trường mô phỏng X như hình 2. City Car Driving theo hướng rẽ trái, rẻ phải Hình 2: Sơ đồ tín hiệu tương tự giữa chuột máy tính với trục xoay của vô lăng. Trên hình 2, trục vô lăng được gắn vào trục Chương trình thu thập và điều khiển lái xe bắt X của chuột máy tính. Như vậy, khi vô lăng đầu hoạt động khi tín hiệu của cảm biến đọc xoay một góc để điều khiển hướng di chuyển góc lái encoder được thu thập. Trong trường của xe theo mong muốn của người điều khiển không mong muốn tín hiệu encoder bị mất thì tương ứng trên trục X của chuột máy tính thì chương trình không hoạt động. Sau khi cũng sẽ xoay đi một góc làm cho đĩa encoder tín hiệu cảm biến encoder được đảm bảo thì dịch chuyển. Độ dịch chuyển trên đĩa encoder chương trình bắt đầu hiển thị tín hiệu góc lái được nhận biết thông qua mạch thu phát tín xe dưới dạng đồ thị và ghi nhận các kết quả hiệu trên chuột máy tính và chuyển thành tín đo bằng số liệu được dạng bảng số liệu. Lúc hiệu số đi đến IC giải mã HT82M39A làm này, chương trình sẽ bắt đầu đọc tín hiệu khởi nhiệm vụ đọc tín hiệu từ encoder, xác định động và đếm thời gian điều khiển của người chiều quay, vị trí encoder và biến đổi chúng lái trong suốt quá trình khảo sát, thử nghiệm thành xung truyền đến máy tính để điều khiển và hiển thị kết quả thu thập. Khi người lái xe di chuyển thông qua con trỏ chuột máy tính. điều khiển đến đích (đoạn đường khảo sát) thì 2. Lập trình điều khiển và thu thập số liệu người lái tắt máy và chương trình dừng làm việc. Ngược lại trong suốt quá trình điều khiển Kết quả khảo sát điều khiển xe được thu thập xe công tắc máy luôn đóng nên chương trình và xử lý, hiển thị kết quả trong môi trường luôn hoạt động liên tục. lập trình LabVIEW bằng thuật toán như sau:
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) 60 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Hình 3: Một chương trình điều khiển trong môi trường lập trình LabVIEW III. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 1. Giao diện thu thập và xử lý tín hiệu thu thập, xử lý và hiển thị kết quả trong môi Tín hiệu điều khiển xe của người lái được trường LabVIEW như hình 4. Hình 4: Giao diện thu thập và hiển thị kết quả khảo sát bằng đồ thị trong môi trường LabVIEW. Trên giao diện hình 4, thu thập tín hiệu góc lái lần lượt trong từng giây. Khảo sát được thực liên tục theo thời gian và hiển thị kết quả dưới hiện với các trường hợp ghi trong bảng 4 dạng đồ thị hoặc bảng dữ liệu góc lái thu thập Bảng 4: Phương án khảo sát người lái tham gia điều khiển mô hình lái xe. Nhóm người lái xe Độ tuổi Chiều cao Căn nặng Số lượng tham gia khảo sát Người già 60 ± 2 155 ± 1.5 cm 55 ± 3kg 2 nam, 2 nữ Người trẻ 25 ± 2 168 ± 1.5 cm 60 ± 3kg 2 nam, 2 nữ 2. Kết quả thực nghiệm điều khiển xe vào đoạn đường vòng. Kết quả a. Kết quả thực nghiệm trong trường hợp thực nghiệm được thu thập và hiển thị kết quả một bằng đồ thị góc lái của từng nhóm người điều Trong trường hợp này người khảo sát tham gia khiển như hình 5 và hình 6.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 61 Hình 5: Kết quả khảo sát góc lái của người trẻ điều khiển xe vào đoạn đường vòng. Hình 6: Kết quả khảo sát góc lái của người già điều khiển xe vào đoạn đường vòng. b. Kết quả thực nghiệm trong trường hợp hai vật. Kết quả thực nghiệm được thu thập và Trong trường hợp này người khảo sát tham gia hiển thị kết quả bằng đồ thị góc lái của người điều khiển xe tránh va chạm với chướng ngại điều khiển như hình 7 và hình 8. Hình 7: Đồ thị góc lái của người trẻ điều khiển xe tránh va chạm chướng ngại vật.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) 62 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Hình 8: Đồ thị góc lái của người già điều khiển xe tránh va chậm với chướng ngại vật. c. Kết quả thực nghiệm trong trường hợp ba Kết quả thực nghiệm được thu thập và hiển Trong trường hợp này người khảo sát tham gia thị kết quả bằng đồ thị góc lái của người điều điều khiển xe chuyển làn đường di chuyển. khiển như hình 9 và hình 10. Hình 9: Đồ thị góc lái của người trẻ điều khiển xe chuyển làn đường di chuyển. Hình 10: Đồ thị góc lái của người già điều khiển xe chuyển làn đường di chuyển.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 63 3. So sánh đánh giá kết quả so sánh thông qua độ lệch góc lái trong các Kết quả thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả trường hợp thực nghiệm tương ứng được thể điều khiển xe của từng nhóm người lái được hiện trên biểu đồ hình 12. Hình 11: Biểu đồ độ lệch góc lái trong các trường hợp thực nghiệm. Trong hình 12 cho thấy rõ: được tính bởi công thức (1). - Trong tất cả các trường hợp thực nghiệm thì (1) độ lệch góc lái của người ở độ tuổi già lớn hơn độ lệch góc lái của người ở độ tuổi trẻ. Trong đó, độ lệch góc lái của người ở độ tuổi già Trong đó: ứng với trường hợp thực nghiệm một là lớn η : Mức tăng hiệu quả điều khiển xe của nhất, kế đến là trường hợp hai và cuối cùng người trẻ so với người già. là trường hợp ba. Do đó, khả năng điều khiển xe của người trong độ tuổi già kém hơn so với ξg : Độ lệch góc lái của người già. người trong độ tuổi trẻ. ξt : Độ lệch góc lái của người trẻ. - Để so sánh, đánh giá cụ thể hiệu quả điều Mức tăng hiệu quả điều khiển xe của người ở khiển giữa hai nhóm người này, đề tài chỉ ra độ tuổi già so với người ở độ tuổi trẻ được thể rõ mức tăng hiệu quả điều khiển xe của người hiện trong bảng 11. trong độ tuổi trẻ so với người trong độ tuổi già Bảng 11: Mức tăng hiệu quả điều khiển xe của người trẻ so với người già Trường hợp thực Độ lệch góc lái Mức tăng hiệu quả nghiệm Người già ξg (độ) Người trẻ ξt (độ) điều khiển xe η(%) 1 16,52 7,35 55,5 2 15,51 10,14 34,6 3 2,95 2,59 12,2
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) 64 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Từ kết quả tính toán mức tăng hiệu quả điều góp phần làm giảm khả năng xảy ra các sự cố, khiển xe của người trẻ so với người già như tai nạn giao thông. trong bảng 13, ta nhận thấy rằng hiệu quả điều Ngoài ra, đề tài còn có thể tăng cường chất khiển xe phụ thuộc vào độ tuổi của người lái lượng đào tạo tập lái ô tô cho các trung tâm và đặc điểm của các tình huống có thể gây ra dạy lái xe và có thể trang bị cho các đại lý ô tô sự cố khác nhau trên đường di chuyển. nhằm hướng dẫn thêm cho khách hàng tham quan showroom, khách hàng mua xe. IV. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Bên cạnh những kết quả đóng góp mới của đề 1. Kết luận tài thì còn những mặt hạn chế như sau: Dựa trên các kiến thức trang bị ôtô cũng như - Mức độ đáp ứng hiệu quả điều khiển xe của các kiến thức liên quan đến đề tài mà tác giả mô hình chưa thật sự tốt khi người lái điều đã hoàn thành nhiệm vụ đề tài đề ra. Qua quá khiển xe chạy với tốc độ trên 60 km/h. trình nghiên cứu cách chuyển đổi tín hiệu từ bàn phím máy tính thành tín hiệu cơ cấu điều - Chưa tạo được cảm giác lái cho người điều khiển lái, chuyển đổi tín hiệu từ chuột máy khiển xe. tính thành tín hiệu vô lăng lái, thu thập và 2. Hướng phát triển đề tài xử lý các tín hiệu điều khiển bằng phần mền Mặc dù có nhiều cố gắng tuy nhiên với trình LabVIEW, thiết kế xây dựng thuật toán điều độ, kinh phí và điều kiện khảo sát cũng như khiển mô hình điều khiển lái xe. Kết quả đạt thời gian có nhiều hạn chế nên đề tài có phạm được và đóng góp của đề tài chủ yếu gồm: vi nhất định. Trong tương lai tác giả nghiên - Thiết kế và thi công hoàn thành mô hình điều cứu và hoàn thiện các phần sau:. khiển cho người lái. - Hoàn thiện các mẫu thiết kế và thi công để - Thí nghiệm, khảo sát được các thông số điều cho ra sản phẩm thật nhằm ứng dụng vào khiển của người lái xe. trong thực tiễn. - So sánh và đánh giá được khả năng điều khiển - Nâng cao hiệu quả điều khiển lái xe bằng các xe của hai nhóm người lái. Đối với người lái ở chương trình, thuật toán nhằm hỗ trợ người lái độ tuổi trẻ thì hiệu quả điều khiển xe tăng lên trong các tình huống gặp nguy hiểm có khả 55,5% so với người lái ở độ tuổi trẻ, xét theo năng làm mất kiểm soát lái của người điều tình huống điều khiển xe vào đoạn đường cua khiển ô tô. vòng. Khả năng điều chỉnh góc lái để chuyển - Nghiên cứu và phát triển các mô hình điều hướng di chuyển sang làn đường di chuyển khiển xe cho người lái trong các môi trường mới thì người ở độ tuổi trẻ điều chỉnh chính điều khiển khắc nghiệt như: lái xe vào ban xác hơn 12,2% so với người ở độ tuổi già và đêm, sương mù, mưa bão, hoặc lái xe trên các điều khiển xe tránh va chạm chướng ngại vật địa hình phức tạp, đồi núi, đường đèo dốc, là 34,6%. Việc so sánh và đánh giá được khả quanh co. năng điều khiển xe ở các nhóm người lái là một trong những thành công lớn nhất của đề - Nghiên cứu và khảo sát mức độ phản ứng tài, làm cơ sở khoa học giúp hoàn thiện mô của người lái xe khi gặp các tình huống bất hình điều khiển cho người lái xe bằng cách ngờ từ đó xác định được các thông số cần thay đổi các thông số điều khiển trong các hệ thiết nhằm tối ưu hóa mô hình điều khiển cho thống hỗ trợ người lái trong quá trình điều người lái xe. khiển xe gặp các trường hợp nguy hiểm, từ đó
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật (30/2014) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Mayenburg , M. V., Rossow, G. and Patterson, C., “Truck Safety Technology for the 21st Century, Truck Safety: Performances and Reality” Đại học Waterloo, Canada, 1996. [2]. Hess, R. A., “Theory for Aircraft Handling Qualities Based Upon A Structural Pilot Model, Journal of Guidance, Control and Dynamics”,1989. [3]. Guan, X., and Yang, X., “Dentification on the Parameters of Driver/vehicle Closed- Loop Position Plus Orientation Preview Model” Tạp chí kỹ thuật xe Trung Quốc , 1995. [4]. MacAdam, C. C., Application of an Optimal Preview Control for Simulation of Closed- Loop Automobile Driving, IEEE Transactions on Systems, Man, and, Vol. SMC-11, No. 6, pp.393-399,1981. [5]. D.H. Weir, D.T. McRuer. Dynamics of driver vehicle steering control, hệ thống kỹ thuật, Inc., 13766 So. Hawthorne Blvd., Hawthorne, Calif., U.S.A. [6]. Legouis, T., Laneville, A., Bourassa , P. A. and Payre , G., Vehicleffilot System Analysis: A new Approach Using Optimal Control with Delay, Vehicle System Dynamics, Vol. 16, pp.279- 295, 1987. [7]. Sheridan, T. B., Three Models of Preview Control, IEEE Transactions on Human Factors i~ Electronics, June, Vol. HFE-7, No. 2, pp.91-102, 1966 [8]. Kondo, M. et al., Driver's Sight Point and Dynamics of DriverNehicle System Related to It, SAE paper No. 680104,1968. [9]. Allen, R. W., Szostak, H. T., and Rosenthal, T. J., Analysis and Computer Simulation of DriverNehicIe Interaction, SAE Transactions, 871 086, 1987. Nagai M. and Mitschke , [10]. Xiaobo Yang. A Closed-Loop DriverNehicle Directional Dynamics Predicto” Trường đại học Concordia, 1999.